JP2016103653A - 発光素子の製造方法及び発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】表面が回折面をなす周期で凹部又は凸部が形成された基板を用いたとしても、凹凸のピッチによるIII族窒化物半導体の結晶品質の変化を抑制することのできる発光素子の製造方法及びこの製造方法により製造された発光素子を提供する。【解決手段】発光層１４を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部を、発光層から発せられる光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部２ｃが形成された基板表面に成長させる発光素子の製造方法であって、凸部を含む基板表面に沿ってバッファ層１０を形成し、バッファ層上に、少なくとも１つの凸部を内包しファセット面を有するとともに互いに離隔した複数の結晶核を成長させ、複数の結晶核が形成されたバッファ層上に平坦化層１２を成長する。【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の製造方法及び発光素子に関する。

サファイア基板の表面上に形成され発光層を含むIII族窒化物半導体と、サファイア基板の表面側に形成され発光層から発せられる光が入射し当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、基板の裏面側に形成され回折面にて回折した光を反射して回折面へ再入射させるＡｌ反射膜と、を備えるＬＥＤ素子が知られている（特許文献１参照）。このＬＥＤ素子では、回折作用により透過した光を回折面に再入射させて、回折面にて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。

国際公開第２０１１／０２７６７９号

ところで、基板表面に回折面をなす周期で凹部又は凸部を形成すると、その後当該表面にIII族窒化物半導体を成長させた際に、凹凸のピッチによりIII族窒化物半導体の結晶品質が大きく変化することが判明した。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、表面が回折面をなす周期で凹部又は凸部が形成された基板を用いたとしても、凹凸のピッチによるIII族窒化物半導体の結晶品質の変化を抑制することのできる発光素子の製造方法及びこの製造方法により製造された発光素子を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部を、前記発光層から発せられる光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部が形成された基板表面に成長させる発光素子の製造方法であって、前記凸部を含む前記基板表面に沿ってバッファ層を形成し、前記バッファ層上に、少なくとも１つの前記凸部を内包しファセット面を有するとともに互いに離隔した複数の結晶核を成長させ、前記複数の結晶核が形成されたバッファ層上に平坦化層を成長させる発光素子の製造方法が提供される。

上記発光素子の製造方法において、前記複数の結晶核は、平坦な上面を有してもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記バッファ層は、ＡｌＮをターゲットとするスパッタリングにより形成されてもよい。

上記発光素子の製造方法において、前記複数の結晶核は、９００ｎｍ以下の高さに成長されてもよい。

また、本発明では、上記発光素子の製造方法により製造され、前記半導体積層部は、前記バッファ層と、前記複数の結晶核と、前記平坦化層と、を含み、前記複数の結晶核は、前記平坦化層よりも酸素濃度が高くともよい。

本発明によれば、表面が回折面をなす周期で凹部又は凸部が形成された基板を用いたとしても、凹凸のピッチによるIII族窒化物半導体の結晶品質の変化を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。 図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。 図３はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。 図４は、III族窒化物半導体の成長初期における成長温度の変化を示すチャートの一例である。 図５は、結晶核の形成状態を示す模式平面図である。 図６は、試料体ＡのＳＥＭ画像である。 図７は、試料体ＢのＳＥＭ画像である。 図８は、試料体ＣのＳＥＭ画像である。 図９は、試料体ＤのＳＥＭ画像である。 図１０は、試料体ＥのＳＥＭ画像である。 図１１は、試料体ＦのＳＥＭ画像である。 図１２は、結晶核を形成した試料体と結晶核を形成しない試料体について、凸部のピッチと貫通転位密度の関係を示すグラフである。 図１３は、結晶核を形成しない場合のIII族窒化物半導体の成長初期における成長温度の変化を示すチャートの一例である。 図１４は結晶核の高さと貫通転位密度の関係を示すグラフである。 図１５は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。

図１は、本発明の一実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
図１に示すように、ＬＥＤ素子１は、サファイア基板２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１９が形成されたものである。このＬＥＤ素子１は、フリップチップ型であり、サファイア基板２の裏面側から主として光が取り出される。半導体積層部１９は、バッファ層１０、平坦化層１２、ｎ型ＧａＮ層１３、発光層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８をサファイア基板２側からこの順に有している。また、バッファ層１０上には、複数の結晶核１１が形成される。ｐ型ＧａＮ層１８上にはｐ側電極２７が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１２上にはｎ側電極２８が形成されている。

図１に示すように、バッファ層１０は、サファイア基板２の表面上に形成され、ＡｌＮで構成されている。バッファ層１０は、凸部２ｃを含む基板表面に沿って形成され、バッファ層１０の表面にサファイア基板２の凹凸が引き継がれている。本実施形態においては、バッファ層１０は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成されるが、スパッタリング法を用いることもできる。スパッタリング法を用いる場合は、Ａｌをターゲットとする反応性スパッタではなく、ＡｌＮをターゲットとするスパッタとすることが好ましい。Ａｌをターゲットとする反応性スパッタでは比較的高温となるため、マイグレーションにより基板表面の被覆状態に悪影響を及ぼす場合がある。また、高温かつ高真空とする必要があるので装置が複雑となり、製造コストが増大してしまう。これに対し、ＡｌＮをターゲットとするスパッタでは、これらの問題が生じるおそれはない。平坦化層１２はバッファ層１０上に形成され、アンドープのｕ−ＧａＮで構成されている。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１３は、平坦化層１２上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層１４は、ｎ型ＧａＮ層１３上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入により青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光をいうものとする。本実施形態においては、発光層１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。

電子ブロック層１６は、発光層１４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層１８は、電子ブロック層１６上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。バッファ層１０からｐ型ＧａＮ層１８までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成される。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。

サファイア基板２の表面は垂直化モスアイ面２ａをなし、サファイア基板２の表面は、平坦部２ｂと、平坦部２ｂに周期的に形成された複数の凸部２ｃと、が形成されている。本実施形態においては、各凸部２ｃの周囲に半導体積層部１９が空隙なく形成されている。各凸部２ｃの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。各凸部２ｃは、発光層１４から発せられる光を回折するよう設計される。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部２ｃにより、光の垂直化作用を得ることができる。ここで、光の垂直化作用とは、光の強度分布が、垂直化モスアイ面へ入射する前よりも、反射及び透過した後の方が、サファイア基板２と半導体積層部１９の界面に対して垂直な方向に偏ることをいう。

図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θ_ｉｎに対して反射角θ_ｒｅｆが満たすべき条件は、
ｄ・ｎ１・（ｓｉｎθ_ｉｎ−ｓｉｎθ_ｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。半導体積層部１９からサファイア基板２へ光が入射する場合、ｎ１はIII族窒化物半導体の屈折率となる。図２（ａ）に示すように、上記（１）式を満たす反射角θ_ｒｅｆで、界面へ入射する光は反射される。

一方、ブラッグの回折条件から、界面にて光が透過する場合において、入射角θ_ｉｎに対して透過角θ_ｏｕｔが満たすべき条件は、
ｄ・（ｎ１・ｓｉｎθ_ｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθ_ｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。例えば半導体積層部１９からサファイア基板２へ光が入射する場合、ｎ２はサファイアの屈折率となる。図２（ｂ）に示すように、上記（２）式を満たす透過角θ_ｏｕｔで、界面へ入射する光は透過される。

上記（１）式及び（２）式の回折条件を満たす反射角θ_ｒｅｆ及び透過角θ_ｏｕｔが存在するためには、サファイア基板２の表面の周期は、素子内部の光学波長である（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きくなければならない。従って、サファイア基板２の表面は、回折光が存在するように周期が（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きく設定されている。

図１に示すように、ｐ側電極２７は、ｐ型ＧａＮ層１８上に形成される拡散電極２１と、拡散電極２１上の所定領域に形成される誘電体多層膜２２と、誘電体多層膜２２上に形成される金属電極２３とを有している。拡散電極２１は、ｐ型ＧａＮ層１８に全面的に形成され、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜２２は、屈折率の異なる第１材料と第２材料のペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜２２は、例えば、第１材料をＺｒＯ_２（屈折率：２．１８）、第２材料をＳｉＯ_２（屈折率：１．４６）とし、ペア数を５とすることができる。尚、ＺｒＯ_２とＳｉＯ_２と異なる材料を用いて誘電体多層膜２２を構成してもよく、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．１８）、Ｎｂ_２Ｏ_３（屈折率：２．４）、Ｔａ_２Ｏ_３（屈折率：２．３５）等を用いてもよい。金属電極２３は、誘電体多層膜２２を被覆し、例えばＡｌ等の金属材料からなる。金属電極２３は、誘電体多層膜２２に形成されたビアホール２２ａを通じて拡散電極２１と電気的に接続されている。

また、ｎ側電極２８は、ｐ型ＧａＮ層１８からｎ型ＧａＮ層１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１２上に形成される。ｎ側電極２８は、ｎ型ＧａＮ層１２上に形成される拡散電極２４と、拡散電極２４上の所定領域に形成される誘電体多層膜２５と、誘電体多層膜２５上に形成される金属電極２６とを有している。拡散電極２４は、ｎ型ＧａＮ層１２に全面的に形成され、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜２５は、屈折率の異なる第１材料と第２材料のペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜２５は、例えば、第１材料をＺｒＯ_２（屈折率：２．１８）、第２材料をＳｉＯ_２（屈折率：１．４６）とし、ペア数を５とすることができる。尚、ＺｒＯ_２とＳｉＯ_２と異なる材料を用いて誘電体多層膜２５を構成してもよく、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．１８）、Ｎｂ_２Ｏ_３（屈折率：２．４）、Ｔａ_２Ｏ_３（屈折率：２．３５）等を用いてもよい。金属電極２６は、誘電体多層膜２５を被覆し、例えばＡｌ等の金属材料からなる。金属電極２６は、誘電体多層膜２５に形成されたビアホール２５ａを通じて拡散電極２４と電気的に接続されている。

このＬＥＤ素子１においては、ｐ側電極２７及びｎ側電極２８が反射部をなしている。ｐ側電極２７及びｎ側電極２８は、それぞれ垂直に近い角度ほど反射率が高くなっている。反射部へは、発光層１４から発せられて直接的に入射する光の他、サファイア基板２の垂直化モスアイ面２ａにて反射して、界面に対して垂直寄りに角度変化した光が入射する。すなわち、反射部へ入射する光の強度分布は、サファイア基板２の表面が平坦面だった場合と比較すると、垂直寄りに偏った状態となっている。

次いで、図３を参照してサファイア基板２について詳述する。図３はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。
図３（ａ）に示すように、垂直化モスアイ面２ａは、平面視にて、各凸部２ｃの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。尚、各凸部２ｃの中心が二等辺三角形の頂点の位置となるように配置してもよい。各凸部２ｃの周期は、発光層１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部２ｃにおける高さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ^２／Δλ）の関係にある。ここで、各凸部２ｃの周期は光学波長の１倍以上で臨界角以上の角度の入射光に対して徐々に回折作用が有効に働き出し、発光層１４から発せられる光の光学波長の２倍より大きいと、透過モード及び反射モードの数が十分に増えるので好ましい。また、各凸部２ｃの周期は、発光層１４から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。

本実施形態においては、仮想の三角格子をなす正三角形の一辺の長さが４６０ｎｍとなっており、各凸部２ｃの周期は４６０ｎｍである。発光層１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、発光層１４から発せられる光の半値幅は２７ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、７５００ｎｍである。すなわち、垂直化モスアイ面２ａの周期は、発光層１４の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。

本実施形態においては、図３（ｃ）に示すように、垂直化モスアイ面２ａの各凸部２ｃは、平坦部２ｂから上方へ伸びる側面２ｄと、側面２ｄの上端から凸部２ｃの中心側へ湾曲して伸びる湾曲部２ｅと、湾曲部２ｅと連続的に形成される平坦な上面２ｆとを有する。後述するように、側面２ｄと上面２ｆの会合部により角が形成された湾曲部２ｅ形成前の凸部２ｃのウエットエッチングにより、角を落とすことで湾曲部２ｅが形成される。尚、平坦な上面２ｆが消失して凸部２ｃの上側全体が湾曲部２ｅとなるまでウェットエッチングを施すようにしても差し支えない。本実施形態においては、具体的に、各凸部２ｃは、基端部の直径が３８０ｎｍであり、高さは４００ｎｍとなっている。サファイア基板２の垂直化モスアイ面２ａは、各凸部２ｃの他は平坦部２ｂとなっている。

ここで、ＬＥＤ素子１用のサファイア基板２の作製方法について説明する。本実施形態の作製方法は、マスク層形成工程と、レジスト膜形成工程と、パターン形成工程と、残膜除去工程と、レジスト変質工程と、マスク層のエッチング工程と、サファイア基板のエッチング工程と、マスク層除去工程と、湾曲部形成工程と、を含んでいる。

まず、加工前のサファイア基板２を準備し、エッチングに先立ってサファイア基板２を所定の洗浄液で洗浄しておく。次いで、サファイア基板２にマスク層を形成する（マスク層形成工程）。本実施形態においては、マスク層は、サファイア基板２上のＳｉＯ_２層と、ＳｉＯ_２層上のＮｉ層と、を有している。尚、マスク層は、単層とすることもできる。マスク層は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成される。

次に、マスク層上にレジスト膜を形成する（レジスト膜形成工程）。本実施形態においては、レジスト膜として例えばエポキシ樹脂等の熱可塑性樹脂が用いられ、スピンコート法により均一な厚さに形成される。レジスト膜としては、熱可塑性樹脂の他、例えば光硬化性樹脂を用いることもできる。

そして、レジスト膜をサファイア基板２ごと加熱して軟化させ、モールドでレジスト膜をプレスする。モールドの接触面には凹凸構造が形成されており、レジスト膜が凹凸構造に沿って変形する。この後、プレス状態を保ったまま、レジスト膜をサファイア基板２ごと冷却して硬化させる。そして、モールドをレジスト膜から離隔することにより、レジスト膜に凹凸構造が転写される（パターン形成工程）。本実施形態においては、凹凸構造の周期は４６０ｎｍである。また、本実施形態においては、凹凸構造の凸部の直径は１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下となっており、例えば２３０ｎｍである。また、凸部の高さは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下となっており、例えば２５０ｎｍである。この状態で、レジスト膜の凹部には残膜が形成されている。

以上のようにレジスト膜が形成されたサファイア基板２を、プラズマエッチング装置の基板保持台に取り付ける。そして、例えばプラズマアッシングにより残膜を取り除いてマスク層を露出させる（残膜除去工程）。本実施形態においては、プラズマアッシングの処理ガスとしてＯ_２ガスが用いられる。

そして、レジスト膜を変質用条件にてプラズマに曝して、レジスト膜を変質させてエッチング選択比を高くする（レジスト変質工程）。本実施形態においては、レジスト膜の変質用の処理ガスとして、Ａｒガスが用いられる。また、本実施形態においては、変質用条件として、プラズマをサファイア基板２側に誘導するためのプラズマエッチング装置における電源のバイアス出力が、後述のエッチング用条件よりも低くなるよう設定される。

この後、エッチング用条件にてプラズマに曝し、エッチング選択比が高くなったレジスト膜をマスクとしてマスク層のエッチングを行う（マスク層のエッチング工程）。本実施形態においては、レジスト膜のエッチング用の処理ガスとして、Ａｒガスが用いられる。これにより、マスク層にパターンが形成される。

ここで、変質用条件とエッチング用条件について、処理ガス、アンテナ出力、バイアス出力等を適宜に変更できるが、本実施形態のように同一の処理ガスを用いてバイアス出力を変えることが好ましい。尚、エッチング用条件に対してバイアス出力を低くする他、アンテナ出力を低くしたり、ガス流量を少なくしても、レジストの硬化が可能である。

次に、マスク層をマスクとして、サファイア基板２のエッチングを行う（サファイア基板のエッチング工程）。本実施形態においては、マスク層上にレジスト膜が残った状態でエッチングが行われる。また、処理ガスとしてＢＣｌ_３ガス等の塩素系ガスを用いたプラズマエッチングが行われる。

そして、エッチングが進行していくと、サファイア基板２に垂直化モスアイ面２ａが形成される。本実施形態においては、垂直化モスアイ面２ａの凹凸構造の高さは、４００ｎｍである。尚、凹凸構造の高さを４００ｎｍより大きくすることもできる。ここで、凹凸構造の高さが、例えば３００ｎｍのように比較的浅くするのならば、レジスト膜が残留した状態でエッチングを終了しても差し支えない。

この後、所定の剥離液を用いてサファイア基板２上に残ったマスク層を除去する（マスク層除去工程）。本実施形態においては、高温の硝酸を用いることでＮｉ層を除去した後、フッ化水素酸を用いてＳｉＯ_２層を除去する。尚、レジスト膜がマスク層上に残留していても、高温の硝酸でＮｉ層とともに除去することができるが、レジスト膜の残留量が多い場合はＯ_２アッシングにより予めレジスト膜を除去しておくことが好ましい。

そして、ウェットエッチングにより凸部２ｃの角を除去して湾曲部を形成する（湾曲部形成工程）。ここで、エッチング液は任意であるが、例えば１７０℃程度に加温したリン酸水溶液、いわゆる“熱リン酸”を用いることができる。尚、この湾曲部形成工程は、適宜省略することができる。以上の工程を経て、表面に凹凸構造を有するサファイア基板２が作製される。

以上のように作製されたサファイア基板２の垂直化モスアイ面２ａに、III族窒化物半導体からなる半導体積層部１９をエピタキシャル成長させ（半導体形成工程）、ｐ側電極２７及びｎ側電極２８を形成する（電極形成工程）。この後、ダイシングにより複数のＬＥＤ素子１に分割することにより、ＬＥＤ素子１が製造される。

本実施形態においては、サファイア基板２の垂直化モスアイ面２ａ上にバッファ層１０、平坦化層１２、ｎ型ＧａＮ層１３、発光層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８の順にIII族窒化物半導体が積層されていく。サファイア基板２の表面に回折面をなす周期で凹部又は凸部が形成されている場合、通常の成長条件で平坦化層１２以降を成長させると、凹凸のピッチによりIII族窒化物半導体の結晶品質が大きく変化することが判明している。本願発明者らは、平坦化層１２の成長に先立って、平坦化層１２の成長条件よりもファセットの形成が促進される成長条件で複数の結晶核１１を成長させることにより、凹凸のピッチによるIII族窒化物半導体の結晶品質の変化を抑制することができることを見いだした。

具体的に、各結晶核１１は、図１に示すように、ファセット面からなる複数の側面１１ａと、平坦な上面１１ｂと、を有する。本実施形態においては、上面１１ｂはＧａＮのｃ面である。各結晶核１１は、平面視にて六角形を呈し、断面にて台形を呈する。図５に示すように、各結晶核１１は、それぞれ、少なくとも１つの凸部２ｃを内包するよう形成される。また、各結晶核１１は互いに離間して形成され、平坦化層１２の形成前は、バッファ層１０の平面部分及び一部の凸部２ｃは露出した状態である。

図４は、III族窒化物半導体の成長初期における成長温度の変化を示すチャートの一例である。
図４に示すように、本実施形態においては、平坦化層１２の成長温度よりも低い温度でバッファ層１０を成長する。この後、バッファ層１０の成長温度よりも高く、平坦化層１２の成長温度より低い温度で各結晶核１１を成長させる。各結晶核１１の成長後、平坦化層１２を成長させる。尚、ファセット形成に有利な成長条件とするには、リアクタ内の温度を低くする、リアクタ内の圧力を高くする、ＮＨ_３の供給量を少なくする、（ＣＨ_３）_３Ｇａの供給量を少なくする、V/III比を低くする等が考えられる。各結晶核１１を所定の条件で設けることにより、凸部２ｃの周期の影響を受けることなく、半導体積層部１９を良好な結晶品質とすることができる。

バッファ層１０は、例えば、所定時間、V/III比を１０１６、リアクタ内の温度を５４０℃に保ちながら、ＮＨ_３を２２００ｓｃｃｍ、（ＣＨ_３）_３Ｇａを２０ｓｃｃｍ供給することにより形成することができる。各結晶核１１は、例えば、所定時間、V/III比を１０１６、リアクタ内の温度を９５０℃に保ちながら、ＮＨ_３を２２００ｓｃｃｍ、（ＣＨ_３）_３Ｇａを２０ｓｃｃｍ供給することにより形成することができる。また、平坦化層１２は、例えば、所定時間、V/III比を１０１６、リアクタ内の温度を１０４０℃に保ちながら、ＮＨ_３を８０００ｓｃｃｍ、（ＣＨ_３）_３Ｇａを４５ｓｃｃｍ供給することにより形成することができる。すなわち、各結晶核１１の成長条件は、バッファ層１０の成長条件に対して、リアクタ内の温度を高くすることのみによっても対応可能である。また、平坦化層１２の成長条件は、各結晶核１１の成長条件に対して、V/III比を変更することなくＮＨ_３及び（ＣＨ_３）_３Ｇａの供給量を多くするとともに、リアクタ内の温度を高くすることによって対応可能である。

ここで、サファイア基板２の表面に凸部２ｃが形成された状態で、互いに離隔した結晶核１１が形成されることを複数の試料体Ａ−Ｆにより確認した。全ての試料体について、サファイア基板２の凸部２ｃの高さは４００ｎｍ、周期は４６０ｎｍとした。
試料体Ａは、V/III比を１０１６、リアクタ内の温度を９００℃に保ちながら、ＮＨ_３を２２００ｓｃｃｍ、（ＣＨ_３）_３Ｇａを２０ｓｃｃｍ供給することにより作成した。試料体Ｂは、V/III比を１０１６、リアクタ内の温度を９５０℃に保ちながら、ＮＨ_３を２２００ｓｃｃｍ、（ＣＨ_３）_３Ｇａを２０ｓｃｃｍ供給することにより作成した。試料体Ｃは、V/III比を１０１６、リアクタ内の温度を９６５℃に保ちながら、ＮＨ_３を２２００ｓｃｃｍ、（ＣＨ_３）_３Ｇａを２０ｓｃｃｍ供給することにより作成した。試料体Ｄは、V/III比を１０１６、リアクタ内の温度を９８０℃に保ちながら、ＮＨ_３を２２００ｓｃｃｍ、（ＣＨ_３）_３Ｇａを２０ｓｃｃｍ供給することにより作成した。試料体Ｅは、V/III比を１０１６、リアクタ内の温度を９００℃に保ちながら、ＮＨ_３を１１００ｓｃｃｍ、（ＣＨ_３）_３Ｇａを１０ｓｃｃｍ供給することにより作成した。試料体Ｆは、V/III比を５０８、リアクタ内の温度を９００℃に保ちながら、ＮＨ_３を１１００ｓｃｃｍ、（ＣＨ_３）_３Ｇａを２０ｓｃｃｍ供給することにより作成した。

図６は試料体ＡのＳＥＭ画像を、図７は試料体ＢのＳＥＭ画像を、図８は試料体ＣのＳＥＭ画像を、図９は試料体ＤのＳＥＭ画像を、図１０は試料体ＥのＳＥＭ画像を、図１１は試料体ＦのＳＥＭ画像をそれぞれ示す。
図６から図９に示すように、結晶核１１の成長温度が高くなるにつれて、結晶核１１の高さ及び平面視の大きさが大きくなり、結晶核１１の密度は小さくなる。具体的に、試料体Ａの各結晶核１１の高さは２００ｎｍ〜４００ｎｍ、平面視の大きさは平均１４μｍ^２であり、結晶核１１に内包されず露出した状態の凸部２ｃの割合は全体の７％であり、サファイア基板２側の表面で各結晶核１１に覆われた面積の割合は３９％であった。また、試料体Ｂの各結晶核１１の高さは７８０ｎｍ〜８２０ｎｍ、平面視の大きさは平均５３μｍ^２であり、結晶核１１に内包されず露出した状態の凸部２ｃの割合は全体の２７％であり、サファイア基板２側の表面で各結晶核１１に覆われた面積の割合は２０％であった。また、試料体Ｃの各結晶核１１の高さは９８０ｎｍ〜１２００ｎｍ、平面視の大きさは平均７６μｍ^２であり、結晶核１１に内包されず露出した状態の凸部２ｃの割合は６１％であり、サファイア基板２側の表面で各結晶核１１に覆われた面積の割合は１７％であった。また、試料体Ｄの各結晶核１１の高さは１５００ｎｍ〜１７００ｎｍ、平面視の大きさは平均１０６μｍ^２であり、結晶核１１に内包されず露出した状態の凸部２ｃの割合は７６％であり、サファイア基板２側の表面で各結晶核１１に覆われた面積の割合は１６％であった。この結果、結晶核１１の成長温度を高くすると、結晶核１１に内包されずに露出した状態の凸部２ｃの割合が増大するとともに、サファイア基板２側の表面で各結晶核１１に覆われた面積の割合が減少することが理解される。

また、図６及び図１０に示すように、結晶核１１の成長レートを遅くすることにより、結晶核１１の高さ及び平面視の大きさが大きくなり、結晶核１１の密度は小さくなる。また、結晶核１１の成長レートを遅くすると、結晶核１１に内包されずに露出した状態の凸部２ｃの割合が増大するとともに、サファイア基板２側の表面で各結晶核１１に覆われた面積の割合が減少する。

また、図６及び図１１に示すように、結晶核１１の成長時のV/III比を小さくすることにより、結晶核１１の高さ及び平面視の大きさが大きくなり、結晶核１１の密度は小さくなる。また、結晶核１１の成長レートを遅くすると、結晶核１１に内包されずに露出した状態の凸部２ｃの割合が増大するとともに、サファイア基板２側の表面で各結晶核１１に覆われた面積の割合が減少する。

図１２は、結晶核を形成した試料体と結晶核を形成しない試料体について、凸部のピッチと貫通転位密度の関係を示すグラフである。結晶核を形成した試料体として前述の試料体Ｂを図４に示すような温度条件で作製した。具体的には、クリーニング工程Ｓ１、バッファ層成長工程Ｓ２、結晶核形成工程Ｓ３、平坦化層形成工程Ｓ４を経て作製した。各工程の温度条件や成長時間は任意であるが、試料体作製における具体的な温度及び時間は次の通りである。クリーニング工程Ｓ１では、１０分間、リアクタ内の温度を１０００℃に保った。また、バッファ層成長工程Ｓ２では、２分間、リアクタ内の温度を５４０℃としてバッファ層１０を成長させた。また、結晶核形成工程Ｓ３では、３０分間、リアクタ内の温度を９５０℃として各結晶核１１を成長させた。また、平坦化層形成工程Ｓ４では、６０分間、リアクタ内の温度１０４０℃として平坦化層１２を成長させた。また、結晶核を形成しない試料体Ｇについては、図１３に示すように、バッファ層形成工程Ｓ２の後、結晶核形成工程Ｓ３を経ることなく、平坦化層形成工程Ｓ４へ移行させた。尚、バッファ層１０及び平坦化層１２の成長条件は、結晶核を形成した試料体Ｂと同様とした。

図１２に示すように、結晶核１１を形成した場合、凸部２ｃのピッチによらず貫通転位密度はほぼ一定となった。これに対し、結晶核１１を形成しない場合は、凸部２ｃのピッチが短くなるほど貫通転位密度が大きくなった。結晶核１１を形成しない場合に貫通転位密度が大きくなる理由は、凸部２ｃが存在することにより平坦化層１２のＧａ原子のマイグレーションが阻害され、この結果、小さな核が高密度で形成され、低転位化が困難となるためと考えられる。

また、結晶核１１と平坦化層１２について酸素濃度を測定したところ、どの試料体についても、結晶核１１の方が平坦化層１２よりも酸素濃度が高かった。具体的に、結晶核１１については１×１０^１７／ｃｍ^３以上の酸素が検出されたが、平坦化層１２については酸素が検出されなかった。測定にあたって、酸素の検出限界が５×１０^１６／ｃｍ^３である装置を用いたことから、平坦化層１２の酸素濃度は５×１０^１６／ｃｍ^３未満であるということができる。すなわち、半導体積層部１９の成長時に結晶核１１を用いたか否かについては、半導体積層部１９中の酸素濃度を調べることにより知ることができる。

図１４は、各結晶核の高さの最大値と貫通転位密度の関係を示すグラフである。各結晶核１１の高さと貫通転位密度の関係について、結晶核１１が形成されておらず各結晶核１１の高さを０ｎｍと見ることのできる試料体Ｇと、各結晶核１１の高さが２００ｎｍ〜４００ｎｍの試料体Ａと、各結晶核１１の高さが７８０ｎｍ〜８２０ｎｍの試料体Ｂと、各結晶核１１の高さが９８０ｎｍ〜１２００ｎｍの試料体Ｃと、各結晶核１１の高さが１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの試料体Ｄと、を用いて調査した。
図１４に示すように、各結晶核１１の少なくとも１つが、凸部２ｃよりも高く形成されると、貫通転位密度が十分に低くなることが理解される。

また、各試料体Ａ−Ｄ，Ｇについて、半導体積層部１９の厚さが３．０μｍで平坦となっているか否か観察したところ、各結晶核１１の高さが０ｎｍ、２００ｎｍ〜４００ｎｍ及び７８０〜８２０ｎｍの試料体Ａ，Ｂ，Ｇについては平坦であったが、高さが９８０ｎｍ〜１２００ｎｍの試料体Ｃについて僅かに表面ピットが確認され、高さが１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの試料体Ｄについて多くの表面ピットが確認された。これにより、半導体積層部１９の平坦性の観点からは、各結晶核の高さが９００ｎｍ以下であることが好ましい。

以上説明したように、平坦化層１２を形成する前に、結晶核１１を形成するようにしたので、凸部２ｃの周期によらず、半導体積層部１９の貫通転位密度をほぼ一定とすることができる。特に、本実施形態のように、凸部２ｃの周期が１０００ｎｍ以下のときに、比較的大きな貫通転位密度の低減効果を得ることができる。

特に本実施形態においては、各結晶核１１の上面が平坦に形成されているので、平坦化層１２が平坦となるまでの厚さを小さくすることができる。また、各結晶核１１が離間して形成されているので、基板上の結晶核の密度が小さく、転位の発生源が少ないために、続いて形成される平坦化層１２の欠陥密度を低減することができる。

尚、前記実施形態においては、ＬＥＤ素子１がフリップチップ型のものを示したが、例えば図１５に示すように、フェイスアップ型のＬＥＤ素子１０１であってもよいことは勿論である。このＬＥＤ素子１０１の半導体積層部１１９は、バッファ層１１０、結晶核１１１、平坦化層１１２、ｎ型ＧａＮ層１１３、発光層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８をサファイア基板１０２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１１８上にはｐ側電極１２７が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１１３上にはｎ側電極１２８が形成されている。

図１５のＬＥＤ素子１０１においては、サファイア基板１０２の表面は垂直化モスアイ面１０２ａをなす。サファイア基板１０２の表面は、平坦部１０２ｂと、平坦部１０２ｂに周期的に形成された複数の凸部１０２ｃと、が形成されている。ｐ側電極１２７は、ｐ型ＧａＮ層１１８上に形成される拡散電極１２１と、拡散電極１２１上の一部に形成されるパッド電極１２２と、を有している。ｎ側電極１２８は、ｐ型ＧａＮ層１１８からｎ型ＧａＮ層１１３をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１１３上に形成される。

図１５に示すように、サファイア基板１０２の裏面側には、誘電体多層膜１２４が形成されている。誘電体多層膜１２４は、屈折率の異なる第１材料と第２材料のペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜１２４は金属層であるＡｌ層１２６により被覆される。この発光素子１０１においては、誘電体多層膜１２４及びＡｌ層１２６が反射部をなしており、発光層１１４から発せられ垂直化モスアイ面１０２ａを回折作用によって透過した光を当該反射部で反射する。そして、回折作用により透過した光を回折面１０２ａに再入射させて、回折面１０２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。

以上のように構成されたＬＥＤ素子１０１においても、平坦化層１１２を形成する前に、結晶核１１１を形成するようにしたので、凸部１０２ｃの周期によらず、半導体積層部１１９の貫通転位密度をほぼ一定とすることができる。

また、前記実施形態においては、ＬＥＤ素子１の基板としてサファイア基板２を用いたものを示したが、他の基板であってもよいことは勿論ある。また、結晶核１１を形成した後、ｕ−ＧａＮの平坦化層１２、ｎ型ＧａＮ層１３の順に形成していくものを示したが、例えば、結晶核１１を形成した後、ｎ型ＧａＮ層１３を形成するようにしてもよく、この場合はｎ型ＧａＮ層１３が平坦化層としての役割も果たす。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ ＬＥＤ素子
２ サファイア基板
２ａ 垂直化モスアイ面
２ｂ 平坦部
２ｃ 凸部
２ｄ 側面
２ｅ 湾曲部
２ｆ 上面
２ｇ 透過モスアイ面
２ｈ 平坦部
２ｉ 凸部
１０ バッファ層
１１ 結晶核
１２ 平坦化層
１３ ｎ型ＧａＮ層
１４ 発光層
１６ 電子ブロック層
１８ ｐ型ＧａＮ層
１９ 半導体積層部
２１ 拡散電極
２２ 誘電体多層膜
２２ａ ビアホール
２３ 金属電極
２４ 拡散電極
２５ 誘電体多層膜
２５ａ ビアホール
２６ 金属電極
２７ ｐ側電極
２８ ｎ側電極
１０１ ＬＥＤ素子
１０２ サファイア基板
１０２ａ 垂直化モスアイ面
１１０ バッファ層
１１１ 結晶核１１
１１２ 平坦化層
１１３ ｎ型ＧａＮ層
１１４ 発光層
１１６ 電子ブロック層
１１８ ｐ型ＧａＮ層
１１９ 半導体積層部
１２２ パッド電極
１２４ 誘電体多層膜
１２６ Ａｌ層
１２７ ｐ側電極
１２８ ｎ側電極

Claims (4)

1. 発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、
   前記発光層から発せられる光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期の複数の凸部が表面に形成された基板と、を備え、
   前記半導体積層部は、
   前記凸部を含む前記基板の表面に沿って形成されたバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成され、少なくとも１つの前記凸部を内包し、かつ、９００ｎｍ以下の高さであり、ファセット面を有し互いに離隔した複数の結晶核と、
   前記複数の結晶核が形成されたバッファ層上に形成された平坦化層と、を含む発光素子。
2. 前記複数の結晶核は、平坦な上面を有する請求項１に記載の発光素子。
3. 前記バッファ層は、Ａｌを含む請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記複数の結晶核は、前記平坦化層よりも酸素濃度が高い請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子。

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